一种基于EBG结构和二氧化硅膜的天线传感器及其应用

一种基于ebg结构和二氧化硅膜的天线传感器及其应用
技术领域
1.本发明属于无线通信领域，具体地说，涉及一种基于ebg结构和二氧化硅膜的天线传感器及其应用。


背景技术：

2.水资源短缺是许多国家农业面临的主要问题。我国农田有效灌溉面积达10.2亿亩，农业用水占总用水的60％以上，灌溉用水占农业用水的90％以上。然而，不重视土壤含水量的盲目灌溉造成了水资源的大量浪费。土壤含水量过高或过低都会对作物造成伤害，导致农业灌溉用水效率总体不高。我国农田灌溉水有效利用系数仅为0.554，高效节水灌溉率仅25％左右，远低于国际先进水平。因此，研究土壤含水量的实时监测，对帮助农业工作者根据作物的含水量偏好以制定有效灌溉方式、发展精准农业具有重要意义。
3.与传统的土壤含水量测量方法相比，天线传感器不仅可以精准检测土壤含水量，而且可以将检测结果无线传输，方便建立传感器网络。近年来，基于天线的土壤含水量测量方法包括双波段天线法、开环谐振器法和频率扫描法。文献“design and development of single&dual resonant frequency antennas for moisture content measurement”提出的双波段天线法比较新颖，测得的含水量范围在0～30％之间，但是该方法在测量过程中容易出现频率重叠，增加了测量难度。文献“a novel spectroscopy-based method using monopole antenna for measuring soil water content”提出的频率扫描方法，扫频范围为2.4～2.5ghz，测得含水量为5％～37.4％。然而当swc发生变化时，相应的频移并不明显。文献“a noninvasive resonance-based method for moisture content evaluation through microstrip antennas”提出的开环谐振法，传感器体积小，测量方便，但测量范围只有0～19.1％，在农业实时测量中受到限制。


技术实现要素：

4.为解决现有土壤含水量测量灵敏度低、测量范围小、精准度低等问题，本发明目的在于构造基于ebg结构和二氧化硅膜的天线传感器，实现土壤含水量高精度、高灵敏度、大范围测量。
5.本发明采用的技术方案如下：
6.本发明基于ebg结构和二氧化硅膜的天线传感器，包括天线(4)和电磁带隙结构ebg结构(6)，以及设置在天线上的二氧化硅膜(3)；所述天线(4)包括辐射谐振单元(1)、接地贴片(2)和射频接头(5)；所述二氧化硅膜(3)溅射在接地贴片(2)的表面。
7.所述ebg结构(6)包括回形环(6-1)，回形环之间的四个三角形辐射片(6-2)以及ebg基板(6-3)，通过集中电场增强介电常数灵敏性，提高天线传感器的灵敏度。
8.在接地贴片(2)的表面溅射一层二氧化硅膜(3)，二氧化硅膜(3)的厚度为60nm，作为天线传感器的敏感膜，可进一步提高天线传感器的灵敏度。
9.所述辐射谐振单元(1)包括双环外环(1-1)和内环(1-2)，双环可增大天线传感器
的频率随周围介电常数变化范围，从而增大测量范围。
10.所述双环外环(1-1)和内环(1-2)通过矩形辐射线(1-3)相连。
11.所述的基于ebg结构和二氧化硅膜的天线传感器的应用，应用于土壤含水量的测量。
12.所述矩形辐射线的线宽为2mm时，双环和矩形辐射线之间构成良好谐振，用于感知天线传感器周围环境的介电常数特性变化。双环可增大天线传感器的频率随周围介电常数变化范围，从而增大测量范围。
13.接地贴片和天线的辐射谐振单元在同一表面，线宽5mm，用于改善所述天线传感器的阻抗匹配特性。
14.本发明的优点在于：
15.1、本发明提出了一种新型天线传感器，可用于土壤含水量测量，测量范围10％～44％，大于已有微波测量方案；可以实时无线传输测量数据，便于实践中水灌溉数据的传输。
16.2、本发明设计了一种新型电磁带隙(ebg)结构，经验证该结构可提高天线灵敏度。在土壤含水量为10％～29％和30％～44％时，在天线上方加载ebg阵列可使传感器的灵敏度分别提高19.2％和23.4％。
17.3、本发明首次在天线的接地贴片上溅射二氧化硅膜，并应用于土壤含水量的测量，当土壤含水量为10％～29％和30％～44％时，传感器灵敏度分别提高30.3％和57.9％。可见，二氧化硅膜显著提高天线传感器的灵敏度。
附图说明
18.图1是实施例1的天线传感器所测试的环境模型示意图。
19.图2是实施例1的天线传感器的组合图。
20.图3是实施例1的天线传感器的参数图。
21.图4是实施例1的天线传感器在不同土壤含水量下的回波损耗s11。
22.图5是实施例1的天线传感器的灵敏度曲线。
23.图6是实施例1的天线传感器在不同情况下的灵敏度对比曲线。
24.其中：1辐射谐振单元，1-1第一方形闭环，1-2第二方形闭环，1-3矩形辐射线，2接地贴片，3二氧化硅膜，4天线结构，5射频接头，6是ebg结构，6-1ebg回形环，6-2四个三角形辐射片，6-3ebg基板，7和8泡沫，9土壤。
具体实施方式
25.实施例1
26.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述，并介绍本发明的一个优选实施例，对土壤含水量的监测：
27.本发明为了保证结果的可靠性和准确性，对土壤进行了仿真建模，放置在天线传感器的下方。图1显示了本实施例天线传感器所处的土壤环境结构示意图，其由上到下依次分为ebg结构6、泡沫7、天线4、泡沫8、土壤9五层结构。
28.图2所示为本实施例天线传感器的组合图，图3显示了本实施例天线传感器的参数
图。天线传感器包括天线结构(4)，以及设置在天线基板上的辐射谐振单元(1)、接地贴片(2)、二氧化硅膜(3)、射频接头(5)和ebg结构(6)。所设计的天线使用共面波导馈电，因此辐射谐振单元1和接地贴片2位于天线结构4的同一侧。天线基板和ebg基板都采用fr4材料，其介电常数为4.4。辐射谐振单元采用覆铜层实现，其厚度为tm＝0.06mm。天线基板的长宽均为a1＝45mm，厚度为ts＝1.5mm，因此天线的整体几何尺寸参数为45
×
45
×
1.56mm。ebg结构的一个周期性单元的基板长宽均为b1＝32mm，厚度为t＝2mm，每个周期性单元的几何尺寸参数为32
×
32
×
2.06mm。
29.辐射谐振单元(1)包括闭环(1-1)，闭环(1-2)与闭环连接的矩形辐射线(1-3)。辐射线宽g4＝g5＝g6＝2mm，闭环(1-1)的线长a2＝30mm，线宽为g2＝2mm，闭环(1-2)的线长a3＝20mm，线宽为g3＝3mm，闭环(1-2)内的方形结构边长a4＝5mm，两个闭环通过辐射线相连接。接地贴片2和辐射谐振单元1在同一表面，长度为a1＝45mm，宽度为g1＝5mm。ebg结构6呈周期性排列，辐射回形环(6-1)的线长b2＝32mm，宽度h1＝3.5mm，内部回形环的长度b3＝8mm，h2＝2mm，三角形(6-2)的高度h4＝6.5mm，边长b4＝7.5mm，三角形和回形环的距离为h3＝0.5mm，天线传感器整体对称分布。二氧化硅膜3溅射在接地贴片表面，溅射厚度为60nm。
30.本实施例天线传感器由ebg阵列结构和天线构成，ebg结构有助于改善天线谐振单元的辐射效果，提高天线传感器对土壤含水量变化的灵敏度。
31.所实施的天线传感器在使用射频接头5给共面波导馈电端传输激励，同轴线的内导体与共面波导馈电结构的辐射线1-3相连，外导体与辐射线左右两侧的接地贴片2相连。信号线将激励传输给辐射谐振单元1，经过良好匹配后，辐射谐振单元表面的电流矢量将会顺着辐射谐振单元的走向指向一个方向。
32.图4显示了本实施例天线传感器在不同土壤含水量w下的回波损耗s11。当土壤含水量变化时，所实施天线传感器的回波损耗s11会有一个较为明显的偏移，土壤含水量越高，所实施天线传感器谐振频率越低。利用此性质，可以使所实施天线传感器监测土壤含水量的变化，并且每个谐振频率下的s11都小于-10db，说明实现了良好的阻抗匹配。
33.图5显示了本实施例天线传感器的灵敏度曲线。当含水量为10％～29％时，灵敏度为6.36mhz/％，和没有ebg阵列的天线传感器相比增加了14.2％。含水量为30％～44％时，灵敏度为5.67mhz/％，比没有ebg阵列的天线传感器增加了30.3％。可以看出，ebg阵列可以有效地提高灵敏度。
34.图6为本实施例天线传感器在不同情况下的灵敏度对比曲线。由对比结果可知，在不同的测量范围内，ebg可以提高天线传感器的灵敏度，在接地贴片上溅射二氧化硅薄膜后，灵敏度会大大提高。
35.以上所述的实施例只是本发明的一个较佳的方案，然而其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的思路和范围的情况下，可以做出各种变化和变型。例如，上述实例的闭环尺寸、辐射线的线宽、天线传感器的应用场景等，均可以按照本发明所述原理进行更新与改进。
36.由此可见，凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。